MIT_0001

5.4 特殊条件下桩基竖向承载力验算

Ⅰ 软弱下卧层验算

5.4.1

桩距不超过6d 的群桩，当桩端平面以下软弱下卧层承载力与桩端持力层相差过大（低于持力层的1/3）且荷载引起的局部压力超出其承载力过多时，将引起软弱下卧层侧向挤出，桩基偏沉，严重者引起整体失稳。对于本条软弱下卧层承载力验算公式着重说明四点：

（1）验算范围。规定在桩端平面以下受力层范围存在低于持力层承载力1/3 的软弱下卧层。实际工程持力层以下存在相对软弱土层是常见现象，只有当强度相差过大时才有必要验算。因下卧层地基承载力与桩端持力层差异过小，土体的塑性挤出和失稳也不致出现。
（2）传递至桩端平面的荷载，按扣除实体基础外表面总极限侧阻力的3/4 而非1/2 总极限侧阻力。这是主要考虑荷载传递机理，在软弱下卧层进入临界状态前基桩侧阻平均值已接近于极限。
（3）桩端荷载扩散。持力层刚度愈大扩散角愈大这是基本性状，这里所规定的压力扩散角与《建筑地基基础设计规范》GB 50007 一致。
（4）软弱下卧层承载力只进行深度修正。这是因为下卧层受压区应力分布并非均匀，呈内大外小，不应作宽度修正；考虑到承台底面以上土已挖除且可能和土体脱空，因此修正深度从承台底部计算至软弱土层顶面。另外，既然是软弱下卧层，即多为软弱粘性土，故深度修正系数取1.0。

Ⅱ 负摩阻力计算

5.4.3

桩周负摩阻力对基桩承载力和沉降的影响，取决于桩周负摩阻力强度、桩的竖向承载类型，因此分三种情况验算。

1 对于摩擦型桩，由于受负摩阻力沉降增大，中性点随之上移，即负摩阻力、中性点与桩顶荷载处于动态平衡。作为一种简化，取假想中性点（按桩端持力层性质取值）以上摩阻力为零验算基桩承载力。
2 对于端承型桩，由于桩受负摩阻力后桩不发生沉降或沉降量很小，桩土无相对位移或相对位移很小，中性点无变化，故负摩阻力构成的下拉荷载应作为附加荷载考虑。
3 当土层分布不均匀或建筑物对不均匀沉降较敏感时，由于下拉荷载是附加荷载的一部分，故应将其计入附加荷载进行沉降验算。

5.4.4

关于负摩阻力及下拉荷载的计算

1 负摩阻力计算
负摩阻力对基桩而言是一种主动作用。多数学者认为桩侧负摩阻力的大小与桩侧土的有效应力有关，不同负摩阻力计算式中也多反映有效应力因素。大量试验与工程实测结果表明，以负摩阻力有效应力法计算较接近于实际。因此本规范规定如下有效应力法为负摩阻力计算方法。

$\200dpi \tiny q_{ni}=k\cdot tg\varphi {}'\cdot \sigma_{i} {}'=\zeta _{n}\cdot \sigma_{i} {}'$

式中 $\200dpi \tiny q_{ni}$ —第i层土桩侧负摩摩阻力标准值；

$\200dpi \tiny k$ —土的侧压力系数；

$\200dpi \tiny \varphi {}'$ —土的有效内摩擦角；

$\200dpi \tiny \sigma_{i} {}'$ —第i层土的平均竖向有效应力；

$\200dpi \tiny \zeta _{n}$ —负摩阻力系数。

ζn与土的类别和状态有关，对于粗粒土，ζn 随土的粒度和密实度增加而增大；对于细粒土，则随土的塑性指数、孔隙比、饱和度增大而降低。综合有关文献的建议值和各类土中的测试结果，给出如规范表5.4.4-1 所列ζn 值。由于竖向有效应力随上覆土层自重增大而增加，当q_ni=ζn·σ'i 超过土的极限侧阻力q_sk时，负摩阻力不再增大。故当计算负摩阻力q_ni 超过极限侧摩阻力时，取极限侧摩阻力值。
下面列举饱和软土中负摩阻力实测与按规范方法计算的比较。
某电厂的贮煤场位于厚70～80m 的第四系全新统海相地层上，上部为厚20～35m 的低强度、高压缩性饱和软粘土。用底面积为35m×35m、高度为4.85m 的土石堆载模拟煤堆荷载，堆载底面压力为99kPa，在堆载中心设置了一根入土44m 的Φ610 闭口钢管桩，桩端进入超固结粘土、粉质粘土和粉土层中。在钢管桩内采用应变计量测了桩身应变，从而得到桩身正、负摩阻力分布图、中性点位置；在桩周土中埋设了孔隙水压力计，测得地基中不同深度的孔隙水压力变化。
按规范式（5.4.4-1）估算，得图5.4-1 所示曲线。
由图中曲线比较可知，计算值与实测值相近。
2 关于中性点的确定
当桩穿越厚度为lo 的高压缩土层，桩端设置于较坚硬的持力层时，在桩的某一深度ln以上，土的沉降大于桩的沉降，在该段桩长内，桩侧产生负摩阻力；ln深度以下的可压缩层内，土的沉降小于桩的沉降，土对桩产生正摩阻力，在ln深度处，桩土相对位移为零，既没有负摩阻力，又没有正摩阻力，习惯上称该点为中性点。中性点截面桩身的轴力最大。

图5.4-1 采用有效应力法计算负摩阻力图

① 土的计算自重应力 $\200dpi \tiny \sigma _{c}=r_{m}z$ ； $\200dpi \tiny r_{m}$ —土的浮重度加权平均值；

② 竖向应力 $\200dpi \tiny \sigma _{v}=\sigma _{z}+\sigma _{c}$ ；

③ 竖向有效应力 $\200dpi \tiny \sigma _{v}=\sigma _{v}-u$ ， $\200dpi \tiny u$ —实测孔隙水压力；

④ 由实测桩身轴力 $\200dpi \tiny Q_{n}$ ，求得的负摩阻力- $\200dpi \tiny q_{n}$ ；

⑤ 由实测桩身轴力 $\200dpi \tiny Q_{n}$ ，求得的正摩阻力+ $\200dpi \tiny q_{n}$ ；

⑥ 由实测空隙水压力，按有效应力法计算的负摩阻力。

一般来说，中性点的位置，在初期多少是有变化的，它随着桩的沉降增加而向上移动，当沉降趋于稳定，中性点也将稳定在某一固定的深度 ln 处。
工程实测表明，在高压缩性土层 lo 的范围内，负摩阻力的作用长度，即中性点的稳定深度 ln ，是随桩端持力层的强度和刚度的增大而增加的，其深度比 ln / lo 的经验值列于规范表5.4.4-2 中。
3 关于负摩阻力的群桩效应的考虑
对于单桩基础，桩侧负摩阻力的总和即为下拉荷载。
对于桩距较小的群桩，其基桩的负摩阻力因群桩效应而降低。这是由于桩侧负摩阻力是由桩侧土体沉降而引起，若群桩中各桩表面单位面积所分担的土体重量小于单桩的负摩阻力极限值，将导致基桩负摩阻力降低，即显示群桩效应。计算群桩中基桩的下拉荷载时，应乘以群桩效应系数ηｎ< 1。
本规范推荐按等效圆法计算其群桩效应，即独立单桩单位长度的负摩阻力由相应长度范围内半径ｒe 形成的土体重量与之等效，得

$\200dpi \tiny \pi dq_{s}^{n}=\left (\pi r_{e}^{2}-\frac{\pi d^{2}}{4} \right )r_{m}$

解上式得

$\200dpi \tiny r_{e}=\sqrt{\frac{dq_{s}^{n}}{r_{m}}+\frac{d^{2}}{4}}$

式中 $\200dpi \tiny r_{e}$ —等效园半径（m)；

$\200dpi \tiny d$ —桩身直径（m）；

$\200dpi \tiny q_{s}^{n}$ —单桩平均极限负摩阻力标准值 $\200dpi \tiny \left (kp_{a} \right )$

$\200dpi \tiny r_{m}$ —桩侧土体加权平均重度 $\200dpi \tiny \left (KN/m^{3} \right )$ ；地下水位以下取浮重度。

以群桩各基桩中心为圆心，以 $\200dpi \tiny r_{e}$ 为半径做圆，由各圆的相交点作矩形。矩形面积 $\200dpi \tiny A_{r}=s_{ax}\cdot s_{ay}$ 与圆面积 $\200dpi \tiny A_{e}=\pi r_{e}^{2}$ 之比，即为负摩阻力群桩效应系数。

$\200dpi \tiny \eta _{n}=A_{r}/A_{e}=\frac{s_{ax}\cdot s_{ay}}{\pi r_{e}^{2}}=s_{ax}\cdot s_{ay}/\pi d\left (\frac{q_{s}^{n}}{r_{m}}+\frac{d}{4} \right )$

式中 $\200dpi \tiny s_{ax}$ 、 $\200dpi \tiny s_{ay}$ —分别为纵、横向桩的中心距。 $\200dpi \tiny \eta _{n}\leq 1$ ，当计算 $\200dpi \tiny \eta _{n}> 1$ 时，取 $\200dpi \tiny \eta _{n}=1$ 。

Ⅲ 抗拔桩承载力验算

5.4.5

桩基的抗拔承载力破坏可能呈单桩拔出或群桩整体拔出，即呈非整体破坏或整体破坏模式，对两种破坏的承载力均应进行验算。

5.4.6

关于群桩基础及其基桩的抗拔极限承载力确定问题

1 对于设计等级为甲、乙级建筑桩基应通过单桩现场上拔试验确定单桩抗拔极限承载力。群桩的抗拔极限承载力难以通过试验确定，故可通过计算确定。
2 对于设计等级为丙级建筑桩基可通过计算确定单桩抗拔极限承载力，但应进行工程桩抗拔静载试验检测。单桩抗拔极限承载力计算涉及如下三个问题：

（1）单桩抗拔承载力计算分为两大类：一类为理论计算模式，以土的抗剪强度及侧压力系数为参数按不同破坏模式建立的计算公式；另一类是以抗拔桩试验资料为基础，采用抗压极限承载力计算模式乘以抗拔系数λ的经验性公式。前一类公式影响其剪切破坏面模因素较多，包括桩的长径比、有无扩底、成桩工艺、地层土性等，不确定因素多，计算较为复杂。为此，本规范采用后者。
（2）关于抗拔系数l （抗拔极限承载力/抗压极限承载力）
从表5.4-1 所列部分单桩抗拔抗压极限承载力之比即抗拔系数λ看出，灌注桩高于预制桩，长桩高于短桩，粘性土高于砂土。本规范表5.4.6-2 给出的l 是基于上述试验结果并参照有关规范给出的。

表5.4-1

抗拔系数λ部分试验结果
资料来源	工艺	桩径d（m）	桩长（m）	l/d	土质	λ
无锡国棉一厂	钻孔桩	0.6	20	33	粘性土	0.6～0.8
南通200KV泰刘线	反循环	0.45	12	26.7	粉土	0.9
南通1979年试验	反循环		9 12		粘性土粘性土	0.79 0.98
四航局广州试验	预制桩			13～33	砂土	0.38～0.53
甘肃建研所	钻孔桩				天然黄土饱和黄土	0.78 0.5
《港口工程桩基规范》（JTJ254）					粘性土	0.8

（3）对于扩底抗拔桩的抗拔承载力。扩底桩的抗拔承载力破坏模式，随土的内摩擦角大小而变，内摩擦角愈大，受扩底影响的破坏柱体愈长。桩底以上长度约4～10d 范围内，破裂柱体直径增大至扩底直径D；超过该范围以上部分，破裂面缩小至桩土界面。按此模型给出扩底抗拔承载力计算周长u_i ，如规范表5.4.6-1。